KEEMIA AUHIND

Nobeli komisjon andis 2006. aasta keemiapreemia Roger D. Kornbergile “tööde eest eukarüootse transkriptsiooni molekulaarsete mehhanismide selgitamisel”.

See lause võtab kokku aastakümnete pikkuse töö, mida vastne laureaat teinud on ning mis sisaldab palju edasiviivaid ideid ja tõestusi. Siiski tõi komisjon välja ka ühe nendest töödest. Kõige mõjusamaks peeti tema viimasel ajal tehtud röntgenkristallograafia ning elektronmikroskoopia abil saadud pilte RNA polümeraas II struktuuridest erinevates transkriptsiooni etappides. Kirjeldamata aga ei saa jätta ka tema teisi saavutusi, eriti silmas pidades, et struktuuride esiletõstmine võis olla ka väike taktikaline käik õigustamaks keemiapreemiat.

Käbid ja kännud

Rogeri loo alustuseks tuleks mainida ka tema isa Arthurit, kes sai Nobeli meditsiinipreemia 1959. aastal. Vanem Kornberg oli esimene, kes suutis puhastada polümeraasi, täpsemalt DNA polümeraas I ensüümi ning selle abil sünteesida DNA-d katseklaasis. Teaduses on aktiivselt tegev samuti Rogeri üks vendadest, Thomas Bill, kes kirjeldas esimesena DNA polümeraase II ja III.

Kindel kord

Milles seisneb siis 2006. aasta Nobeli keemiapreemia omaniku enda panus teaduse arengusse? Alustagem algusest. Oma esimestes uurimustes tegeles Roger Kornberg üldse mitte DNA ja transkriptsiooniga, vaid lipiididega. Tema esimesed tähtsamad publikatsioonid 1970. aastate alguses käsitlesid lipiidide käitumist membraani mudelites. Näiliselt täiesti teise valdkonda kuuluvatel töödel oli aga hiljem oluline roll ka transkriptsiooni uurimisel. Nimelt on valkude ja nukleiinhapete struktuuri määramise kõige kasutatavam tehnoloogia röntgenkristallograafia, mis põhineb röntgenikiirte difraktsioonil uuritava aine kristallis. Soola kristalle on igaüks näinud, ent kuidas oleks kristalliseeritud munaga? Saada valkudest või nukleiinhapetest kristalle – see tähendab struktuure, kus individuaalsed molekulid paiknevad range korra alusel – on omaette vägitükk. On tuntud fakt, et vette valatud õlitilk moodustab veepinnal õhukese kile. Sidudes õli molekulide külge mingi muu aine molekule, näiteks valke, jäävad need vee ja õli vahele, sest kilet moodustav õli kisub nad endaga kaasa. Selliselt seotud valk saab liikuda ainult kile pinnal õlikile enda voolavuse ja sisemise difusiooni tõttu. Kasutades oma teadmisi lipiidide (õlid on teatavasti üks tüüp lipiide) ja valkude kohta, suutis noor Kornberg tekitada situatsiooni, kus lipiidide külge kinnitatud valgud võtsid kõik kindla orientatsiooni ning paigutusid kindla korra alusel. Tekkis n-ö kahedimensiooniline kristall. Kahedimensiooniline, kuna tegemist oli vaid ühe kihi molekulidega kristallis. Hiljem on näidatud, et sarnasel viisil saab teha ka 3D kristalle.

Range kontroll

Veel traditsioonilisi meetodeid kasutades uuris Roger Kornberg eukarüootide DNA struktuuri ning jõudis välja nukleosoomide kirjeldamiseni. Nukleosoom on DNA ja valkude kompleks. Kaheksa valku, mida kutsutakse histoonideks (histoonid 2A, 2B, 3 ja 4, igaüht kaks koopiat), moodustavad aluse, mille ümber DNA kaksikheeliks keerdub nagu lõng. Siiski mitte pikalt, ainult umbes 200 nukleotiidi ulatuses. Järgmise 200 sidumise jaoks moodustub uus alus jne. Kogu eukarüootsetes rakkudes olev DNA koosneb selliste komplekside jadast. See 10 nm läbimõõduga kiud kerib ennast omakorda ümber histoon 1, moodustades nn 30 nm kiu. Ent on see struktuuride näitamine klassifitseeritav kui „eukarüootse transkriptsiooni molekulaarsete mehhanismide selgitamine”? Tegelikult on, sest tänaseks on selge, et pika DNA ahela kokkupakkimine ei täida mitte üksnes ruumi kokkuhoiu funktsiooni, vaid ka takistab DNA kasutamist. Eukarüootsete organismide keerukust ja DNA suurt hulka arvestades on vajalik range kontroll geenide kasutamise üle ning nukleosoomide moodustumine on universaalne mehhanism geenide avaldumise takistamiseks. Lihtsamates prokarüootides on transkriptsioon reguleeritud erinevate repressor- ja aktivaatorvalkudega, mis takistavad või soodustavad seda protsessi. Nukleosoomid kui universaalsed geenide avaldumise pärssijad on omased vaid eukarüootidele.

Vahendaja

Et geen saaks avalduda ning temas olev info transkriptsiooni läbi edasi kantud mRNA-le, on eukarüootidel spetsiifilised valgud, mis lõhuvad nukleosoome. DNA vabanemisest üksi siiski veel ei piisa transkriptsiooni toimumiseks. Transkriptsiooni käigus on DNA-ga seotud veel aktivaatorid ja võimendajad (inglise keeles enhancer). Asjaosaliste valkude omavaheliste suhtlemisviiside juures tuleb välja järjekordne erinevus prokarüootide ja eukarüootide vahel. Enne Roger Kornbergi töid arvati, et eukarüootides toimub suhtlemine sarnaselt prokarüootidega DNA-seoseliste valkude vahetute interaktsioonide kaudu. 1990. aastate alguses näitasid just Kornbergi grupi tööd, esmalt pagaripärmi, kuid hiljem ka kõrgemate eukarüootide peal, et tegelikult käib asi keerulisemalt. Geeni aktiveerivad valgud ja geenist mRNA-d tegev polümeraas (RNA polümeraas II) suhtlevad suuresti kaudselt, kasutades valku nimega Mediator (vahendaja). Kuidas täpselt see info ülekanne käib, pole veel piisavalt selge, kuid on teada, et Mediatori puudumine mõjub eukarüootsele transkriptsioonile hukutavalt.

Pildid, mis aitavad mõista

Ja viimasena see kõige olulisem saavutus. Kasutades oma kavalat nõksu kristallide tekitamiseks, suutis Roger Kornberg määrata suure hulga transkriptsiooni erinevatele etappidele vastavate DNA-RNA-polümeraas-regulaatorvalkude komplekside täpseid struktuure. Struktuuride põhjal oli aga hea teha järeldusi interaktsioonide ja reaktsioonide mehhanismide kohta. Tõlkides Nobeli komitee avalduse eesti keelde, võiks tsiteerida: “Tema tehtud piltidel saame näha uue RNA ahela valmimist samm-sammult, samuti nagu ka teiste transkriptsiooniks vajalike molekulide rolli. Pildid on niivõrd detailsed, et võib eristada aatomeid ning see võimaldab transkriptsiooni mehhanismi ja regulatsiooni täielikult mõista.”

Kuidas transkriptsioon siis toimub? RNA polümeraas II koosneb mitmest alaühikust, millest kaks suuremat moodustavad põhialuse ning väiksemad on kogunenud nende ümber. Kahe suure alaühiku vahelises praos ongi peasündmuste toimumiskoht. Üle neid kahte alaühikut eraldava prao läheb reaktsiooni keskme lähedalt üks valguline sild. Polümeraasi molekulisiseste võnkumiste tulemustel see ahel kord kõverdub, kord sirgub. See struktuurimuutus vastutab suuresti DNA liikumise eest polümeraasi suhtes. Iga võnge nagu tõmbaks järjekordse nukleotiidi transkriptsiooni masinavärki. Masinavärgi sees on oluline, et ahelasse saaks lükitud õige, DNA-ga komplementaarne RNA nukleotiid. Kui ahelasse pandaks vale nukleotiid, oleks tegu mutatsiooniga. Polümeraasi struktuuridest suudeti välja lugeda, et nukleotiidide valik toimub kahes etapis. Kõigepealt püütakse suvaline nukleotiid ümbritsevast lahusest kinni ja siis proovitakse tema vastavust DNA-le. Kui sobib, on kõik hästi ning ensüümi aktiivtsentris olevad metalli-ioonid keevitavad uue nukleotiidi fosfaatrühma pidi olemasoleva RNA ahela külge. Sobimatu nukleotiid reaktsiooni ei anna. Kui see kogemata peakski toimuma, siis kogu kompleks destabiliseeruks ja transkriptsioon jääks pooleli. Et tekkivad komplementaarsed RNA ja DNA üksteisest eralduksid ning kumbki oma teed läheks, selle eest hoolitsevad jällegi polümeraasi kindlad osad.

Lisaks sellele on Kornbergil hetkel edukalt käimas uuringud erinevate regulaatorvalkude, kaasa arvatud Mediatori, ja RNA polümeraas II komplekside struktuuride selgitamiseks. Samuti on näidatud erinevate valkude seostumine DNA-ga ning fakt, et RNA polümeraas seostub ainult üheahelalise DNA-ga. See tähendab, et enne kui polümeraas saab tööle hakata, peavad teised valgud DNA kaksikahela sobivas kohas lahti käristama.

Biokeemia

Lõpetuseks tuleks veel mainida mõningaid vastukajasid maailmas, mida Kornbergile määratud preemia on esile kutsunud. Keegi ei vaidlusta küll tema suuri saavutusi, kuid küsitakse: kas oli õigustatud keemiapreemia andmine? Et bioloogiapreemiat pole olemas, peavad elusloodust puudutavad tööd minema mõnda teise kategooriasse või ei saaks nende eest üldse autasusid anda. “Puhastverd” keemikud ei vaata muidugi rõõmuga, kui biokeemia kaasamisega konkurents suureneb. Ka Arthur Kornbergi 1959. aasta, käesoleva aasta ja paljude teiste aastate meditsiinipreemiad vihjavad, et Roger Kornbergi töödega sarnased uurimised sobiksid samahästi meditsiinipreemia alla. Biokeemia ja molekulaarbioloogia tulekuga on keemia ja meditsiin teineteisele lähenenud rohkem, kui Alfred Nobel seda sadakond aastat tagasi ilmselt ette kujutas. See annab hea võimaluse tõstatada intrigeerivaid küsimusi ja kahtlusi, kuid tuleb siiski tunnistada: nagu kohtunikul kohtusaalis, on otsustusõigus siiski Nobeli komiteel ning siiani on raske neile midagi tõsist ette heita. Roger Kornbergi tööd on kindlasti suurt tunnustust väärt.

MÕISTEID

Eukarüoot ehk päristuumne – organism, mille rakkude geneetiline info on lokaliseeritud membraaniga eraldatud spetsiifilisse osasse, rakutuuma. Lisaks tuuma olemasolule on eukarüootsete rakkude sisemus kõrgemalt organiseeritud kui prokarüootide oma. Hulkraksed organismid, nagu inimene, loomad, taimed, on kõik eukarüootsed, samuti nagu ka paljud ainuraksed.

Transkriptsioon – protsess, mille käigus DNA põhjal toodetakse RNA.

Polümeraas – ensüüm, mis sünteesib uusi DNA-sid (DNA polümeraasid) ja RNA-sid (RNA polümeraasid) juba olemasolevate järjestuste põhjal. Tulemuseks on olemasolevale nukleiinhappele komplementaarne ahel, mitte koopia selle sõna tavalises mõttes. RNA polümeraase on kolme tüüpi, millest ainult II toodab valke kodeerivaid mRNA-sid.

Komplementaarsus – DNA ja/või RNA nukleotiidide omavaheline sobivus. DNA koosneb A (adenosiin), C (tsütosiin), G (guaniin) ja T (tümiin) alustest, RNA – A, C, G ja U (uratsiil) alustest. Omavahel paarduvad ainult C ja G ning A ja U/T.

KALLE KILK (1978) on Tartu Ülikooli üld- ja molekulaarpatoloogia instituudi erakorraline teadur, järeldoktorant, Ph.D.